Метрологический анализ бесцентровой схемы контроля овальности крупногабаритных оболочек вращения

Введение. Контроль геометрических параметров крупногабаритных обечаек (базовых деталей энергетического и нефтегазового оборудования) является критически важной задачей, определяющей качество и производительность их сборки. Существующие методы, основанные на измерении элементов круга, обладают существенными методическими погрешностями и требуют точного центрирования, что затруднительно для деталей больших габаритов, имеющих отклонения от круглой формы, в первую очередь овальность. Выполнена разработка и метрологический анализ бесцентрового метода контроля диаметра и отклонения от круглости формы, свободного от методических погрешностей и позволяющего повысить точность и эффективность измерений в условиях производства. Метод. В основе метода лежит фундаментальное геометрическое свойство круга, согласно которому его диаметр равен максимальному расстоянию между двумя точками на внутренней поверхности детали. Метод реализован в виде оптико-электронного прибора, содержащего лазерный дальномер, установленный на каретке, перемещающейся по контуру обечайки. Дальномер осуществляет угловое сканирование противоположного участка внутренней поверхности обечайки, а управляющий блок фиксирует массив расстояний и определяет диаметр как максимальное значение в сечении. Конструкция прибора обеспечивает соблюдение принципов Аббе и инверсии, что делает схему измерения инвариантной к погрешностям позиционирования. Для верификации метода проведено компьютерное моделирование процесса измерения для обечаек с овальной формой поперечного сечения. Основные результаты. Определено, что инструментальная погрешность лазерного дальномера (±1 мм) является основной и не превышает установленный технологический допуск в 1 % от номинального диаметра обечайки. Метрологический анализ на моделях овального сечения показал, что погрешность определения диаметра функционально зависит от величины овальности, при этом в пределах допустимых значений овальности требования технологического процесса выполняются. Обсуждение. Разработанный метод и прибор позволяют напрямую, с высокой точностью и без требования центрирования контролировать диаметр и отклонение от круглости внутренней поверхности крупногабаритных обечаек. Основными преимуществами предложенного решения являются инвариантность, автономность и простота технической реализации. Устройство может быть применено для послеоперационного и приемочного контроля в атомном, энергетическом и нефтегазовом машиностроении, а также в других отраслях для снижения трудоемкости сборки и обеспечения качества стыковки деталей.

1. Берлинер Ю.И., Балашов Ю.А. Технология химического и нефтяного аппаратостроения. М.: Машиностроение, 1976. 256 с.

2. Шилин А.Н., Петров С.А., Заярный В.П. Автоматизация определения оптимальных условий сборки корпусов нефтегазового оборудования // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. No 6. С. 10–14.

3. Рубинов А.Д. Контроль больших размеров в машиностроении: Справочник. Л.: Машиностроение, 1982. 120 с.

4. Muralikrishnan B., Phillips S., Sawyer D. Laser trackersfor large-scale dimensional metrology: A review // Precision Engineering. 2016. V. 44. P. 13–28. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2015.12.001

5. Schmitt R.H., Peterek M., Morse E., Knapp W., Galetto M., Härtig F., et al. Advances in Large-Scale Metrology – review and future trends // CIRPAnnals. 2016. V. 65. N 2. P. 643–665. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.05.002

6. Патент на полезную модель No 240080 U1 Российская Федерация, МПК G01B 11/08. оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек: заявл. 04.08.2025: опубл. 24.12.2025 / А.Н. Шилин, Р.Г. Атаманюк, Е.Ю. Беседин, М.Р. Пастухов; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет».

7. Петров В. Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. 2-е изд., испр. и доп. Екатеринбург: Издательские решения, 2018. 752 с.

8. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Общая метрология. М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. 268 с. 9. Chen L., Zhang S., Ji S., Chang B., Yu J. Laser scanning system for large diameter measurement // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7506. P. 750625. https://doi.org/10.1117/12.838280

9. Chen Q., Zhao D., Yang C., Huo Y. Self-triggering pulsed time-of- flight laser range-finding method // Optical Engineering. 2003. V. 42. N 12. P. 3608–3611. https://doi.org/10.1117/1.1621407

10. Yang T., Wang Z., Wu Z., Li X., Wang L., Liu C. Calibration of laser beam direction for inner diameter measuring device // Sensors. 2017. V. 17. N12. P. 294. https://doi.org/10.3390/s17020294

11. Zhang G.Y., Xu X.P., Fu X.H., Yang L., Li C.Z. The measurement and control of diameter in large-scale part processing // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V.129. N 1-3. P. 653–657. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(02)00675-1

12. Hu C., Lv F., Xue L., Li J., Zhong X., Xu Y. Full-range static method of calibration for laser tracker // Electronics. 2023. V. 12. N 22. P. 4709. https://doi.org/10.3390/electronics12224709

13. Bryan J. International status of thermal error research // CIRP Annals — Manufacturing Technology. 1990. V. 39. N 2. P. 645–656. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)63001-7

14. Estler W.T., Edmundson K.L., Peggs G.N., Parker D.H. Large-scale metrology — an update // CIRPAnnals. 2002. V. 51. N 2. P. 587–609. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61702-8